Implementación de estación terrena para seguimiento a

Universidad de Manizales
Facultad de Ciencias e Ingeniería
Implementación de estación
terrena para seguimiento a
picosatélites de órbita LEO*1
[Implementation of ground station for
WUDFNLQJ/(2RUELWSLFRVDWHOOLWHV@
JORGE ENRIQUE ESPÍNDOLA DÍAZ2, JAIRO ALONSO MESA LARA3
RECIBO: 20.02.2012 - APROBACIÓN: 20.05.2012
Resumen
(OSUHVHQWHDUWtFXORPXHVWUDORVUHVXOWDGRVGHXQDLQYHVWLJDFLyQ
DFHUFDGHHVWDFLRQHVWHUUHQDVGHVHJXLPLHQWRVDSLFRVDWpOLWHV
TXHVHGHVDUUROODHQOD8QLYHUVLGDG3HGDJyJLFD\7HFQROyJLFD
GH&RORPELD3UHVHQWDHOPDUFRUHIHUHQFLDOODPHWRGRORJtD\ORV
UHVXOWDGRVGHGLFKDLQYHVWLJDFLyQ(OREMHWLYRSULQFLSDOFRQVLVWHHQ
SODQWHDUXQGLVHxRGHODHVWDFLyQTXHFXPSODFRQORVOLQHDPLHQWRV
\ QRUPDWLYDV TXH D QLYHO GH UDGLRFRPXQLFDFLRQHV VH LPSRQHQ
\TXHVHDHVFDODEOHHQFXDQWRSHUPLWDTXHDIXWXURODHVWDFLyQ
WHUUHQDVDWHOLWDOGHOD8QLYHUVLGDGVHORJUHLQWHJUDUDODUHGGH
HVWDFLRQHVPXQGLDOHV6HFRQFOX\HFRQHOGLVHxRGHODVFRPXQL
FDFLRQHVSDUDODHVWDFLyQ\FRQXQDVHULHGHUHFRPHQGDFLRQHV
SDUDODSRVWHULRUIDVHGHLPSOHPHQWDFLyQ
Palabras clave: HVWDFLyQWHUUHQDSLFRVDWpOLWHVUDGLRHQODFH
0RGHORSDUDFLWDFLyQGHHVWH$UWtFXORGHLQYHVWLJDFLyQFLHQWt¿FD\WHFQROyJLFD
ESPÍNDOLA DÍAZ, Jorge Enrique y MESA LARA, Jairo Alonso (2012). Implementación de
estación terrena para seguimiento a picosatélites de órbita LEO. En: Ventana Informática. No.
26 (ene. – jun., 2012). Manizales (Colombia): Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad
de Manizales. p. 77-91. ISSN: 0123-9678
$UWtFXOR SURYHQLHQWH GHO SUR\HFWR 'LVHxR H LPSOHPHQWDFLyQ GH XQD HVWDFLyQ WHUUHQD SDUD
satélites de órbita LEO (LowEarthOrbit), ejecutado en el periodo junio de 2011 a diciembre
de 2012, e inscrito en el grupo de investigación INFELCOM de la Universidad Pedagógica y
Tecnológica de Colombia.
2 Ingeniero de Sistemas, Especialista en Telemática, MSc. Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Profesor Asistente Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia - UPTC,
Tunja (Colombia). Director del grupo INFELCOM UPTC. Correo electrónico: jespindola@uptc.
edu.co
3 Ingeniero Electrónico, Especialista en Telemática, MSc. Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Profesor Auxiliar Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia - UPTC,
Tunja (Colombia). Correo electrónico: [email protected]
Nº 26 - Universidad de Manizales, enero-junio/2012 - pp 77-91
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Nº 26 - enero - junio / 2012
Abstract
7KLV SDSHU SUHVHQWV WKH UHVXOWV RI DQ LQYHVWLJDWLRQ RI JURXQG
VWDWLRQV WR SLFRWUDFNLQJ ZKLFK WDNHV SODFH DW WKH 3HGDJRJLFDO
8QLYHUVLW\DQG7HFKQRORJ\RI&RORPELDE\WKHJURXS,1)(/&20,W
SUHVHQWVWKHIUDPHRIUHIHUHQFHPHWKRGRORJ\DQGUHVXOWVRIVXFK
UHVHDUFK7KHPDLQREMHFWLYHLVWRUDLVHDVWDWLRQGHVLJQWKDWPHHWV
WKHJXLGHOLQHVDQGUHJXODWLRQVWKDWDUHLPSRVHGDWUDGLRDQGDUH
VFDODEOHLQWKHIXWXUHDOORZWKHVDWHOOLWHHDUWKVWDWLRQRIWKHXQLYHU
VLW\FDQLQWHJUDWHWKHQHWZRUNRIVWDWLRQVZRUOGZLGH,WFRQFOXGHV
ZLWKWKHGHVLJQRIFRPPXQLFDWLRQVIRUWKHVHDVRQDQGDVHULHV
RIUHFRPPHQGDWLRQVIRUWKHVXEVHTXHQWLPSOHPHQWDWLRQSKDVH
.H\ZRUGVHDUWKVWDWLRQSLFRVDWHOOLWHVUDGLROLQN
Introducción
El seguimiento y monitoreo de picosatélites se realiza en una
base terrestre, a través de un conjunto de elementos que agrupados constituyen la llamada estación terrena. La importancia del
proyecto se fundamenta en el interés que tiene la Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia, UPTC, en el estudio del
área de la ciencia y la tecnología aeroespacial en conjunto con
otras universidades del país ligadas por el seguimiento a satélites
de órbita baja con fines académicos e investigativos (proyecto
&XEHVDW). El término &XEH6DW fue usado específicamente para
referirse a picosatélites que se ajustan a las normas descritas en
HO3OLHJRGH'LVHxR&XEH6DWSXEOLFDGRSRUOD&DOLIRUQLD3RO\WH
FKQLF6WDWH8QLYHUVLW\ (CalPoly).
(OSUR\HFWRSODQWHDKDFHUHOGLVHxR\ODLPSOHPHQWDFLyQGHODHVWDFLyQ
terrena satelital en la ciudad de Tunja, dentro de las instalaciones de la
UPTC basado en estudios hechos en una etapa anterior.
(OSUHVHQWHDUWtFXORPXHVWUDXQGLVHxRGHHVWDFLyQWHUUHQDQRUPDlizado y ajustado a la reglamentación y estandarización existente
para el caso. Igualmente se presenta un análisis de las características tecnológicas del sistema de comunicaciones y el hardware del
mismo. Primero, se describen de forma breve los elementos conceptuales propios del proyecto como son: estación terrena, orbita
LEO, picosatélites, frecuencia, características y efectos del medio de
propagación, cálculo de enlace, arquitectura, actuadores. Luego, se
muestran la fase de desarrollo y resultados obtenidos y por último,
las conclusiones.
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Facultad de Ciencias e Ingeniería
1. Fundamentación teórica
1.1 Estación Terrena
Una estación terrena es la parte encargada de transmitir, recibir y procesar los datos del Cubesat en tierra, de acuerdo con Pratt, Bostian &
$OOQXWW(VXQDHVWDFLyQVLWXDGDHQODVXSHU¿FLHGHODWLHUUD
o en la parte principal de la atmósfera terrestre destinada a establecer
comunicación con una o varias estaciones espaciales; o con una o varias estaciones terrenas, mediante el empleo de uno o varios satélites
UHÀHFWRUHVXRWURVREMHWRVVLWXDGRVHQHOHVSDFLR
3DUDHVWH¿QGHEHHVWDUGRWDGDFRQUDGLRV)0)UHFXHQFLD0RGXODGD
transmisor - receptor, y acoplada a un módem, un computador, un sistema de antenas y accesorios como servomotores con su respectivo
control de posición para el seguimiento del satélite. En este sentido, el
control de los servomotores que manipulan el posicionamiento de las
antenas, es un factor de vital importancia para el óptimo funcionamiento
de la estación.
Los satélites orbitan a diferentes distancias respecto a la tierra; particularmente los satélites de órbita baja se conocen como satélites LEO,
cuya distancia está entre los 640 y 1400 Km.
1.2 Picosatélites
3DUDGH¿QLUHOWpUPLQRGHSLFRVDWpOLWHHVQHFHVDULRHQWHQGHUHOFRQFHSWRGHVDWpOLWHDUWL¿FLDO7RPDQGRFRPRUHIHUHQWHD3URFKQRZ'XUmR
Schuch (2006, 10), «XQVDWpOLWHDUWL¿FLDOHVXQVLVWHPDTXHJLUDHQWRUQR
DQXHVWURSODQHWD»(VWRVVDWpOLWHVVHFODVL¿FDQVHJ~QVXWDPDxRHQ
JUDQGHV PHGLDQRV \ SHTXHxRV /RV ~OWLPRV VH VXEGLYLGHQ HQ FLQFR
categorías en la cual se encuentran los picosatélites, caracterizados
porque su masa oscila entre los 100 g y 1 Kg y su órbita no es mayor
de 800 km.
1.3 Cubesat
Los &XEHVDW o 3DFVWDU como también se les suele conocer son picoVDWpOLWHVGHyUELWD/(2GHVDUUROODGRVFRQ¿QHVHGXFDWLYRVSRUSDUWHGH
la estadounidense Universidad de Calpoly, físicamente,
ísicamente,, estos no exceGHQ.JGHSHVRQLWDPSRFRVXSHUDQHQWDPDxRDXQFXERGH[
cm (Gaona, 2007). Se integran de subsistemas tales como: sistema de
telemetría seguimiento y comando un sistema de potencia y un sistema
de comunicación (Neri Vela, 2003). El margen de frecuencias asignadas
para la operación de los &XEH6DW es de 144 a 148 MHz para el enlace
ascendente, o XSOLQN y 435 a 440 MHz para el enlace descendente, o
GRZQOLQN (IARU, 2009).
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1.4 Frecuencias de operación
Las normativas y lineamientos que se expiden en materia de comuniFDFLRQHVUDGLDOHV\SDUDHVWDFLRQHVGHUDGLRD¿FLRQDGRVVHDGRSWDQGH
asociaciones como:
- IARU (7KH ,QWHUQDWLRQDO$PDWHXU5DGLR8QLRQ), una asociación cuyo
interés radica en velar por el uso espectro radioeléctrico y así mismo
conceder un mejor uso al mismo al querer organizar a nivel nacional
HLQWHUQDFLRQDODODVDVRFLDFLRQHVGHUDGLRD¿FLRQDGRV\HMHUFHUVX
representación ante la ITU (IARU, 2009).
- ARRL ($PHULFDQ5DGLR5HOD\/HDJXH), una asociación que reúne
HQVXUHSUHVHQWDFLyQDORVUDGLRD¿FLRQDGRVGHORV(VWDGRV8QLGRV
$55/(VXQDGHODVDVRFLDFLRQHVQDFLRQDOHVGHUDGLRD¿FLRnados más grandes del mundo y, así mismo, hace parte del conglomerado de asociaciones que integran IARU. ARRL centra su objetivo
general en promover y fomentar el arte, la ciencia y el desarrollo y
H[SHULPHQWDFLyQGHODUDGLRD¿FLyQ
(Q&RORPELDORVVHJPHQWRVGHUDGLRD¿FLRQDGRVVHUHJXODQPHGLDQWHHO
decreto No. 963 del 20 de marzo de 2009 (Presidencia de la República
GH&RORPELD(QHVWHVHGH¿QHHOVHUYLFLRGHUDGLRD¿FLRQDGR
como un servicio de radiocomunicación destinado a la instrucción individual, intercomunicación y radio-experimentación de aquellos expertos y
QRH[SHUWRVFRQ¿QHVSHUVRQDOHV\VLQiQLPRGHOXFUR$GHPiVDGRSWD
ODVGLVSRVLFLRQHV\GH¿QLFLRQHVTXHHQPDWHULDGHWHOHFRPXQLFDFLRQHV
LPSDUWHOD8,75HJLyQ,,SDUDODSODQL¿FDFLyQDFFHVR\DGHFXDGDFRPpartición del espectro radioeléctrico en los países latinoamericanos.
También, se atribuyen para la banda de VHF y UHF del servicio de
UDGLRD¿FLRQDGR HQ HO WHUULWRULR QDFLRQDO PHGLDQWH ODV IUHFXHQFLDV \
XWLOL]DFLRQHVHVSHFt¿FDVFRPRVHSUHVHQWDQHQODWDEOD
/DVHVWDFLRQHVWDQWR¿MDVFRPRPyYLOHVGHEHUiQRSHUDUHQXQUDQJRGH
IUHFXHQFLDVGHWHUPLQDGRVHJ~QODFDWHJRUtDGHODOLFHQFLDGHUDGLRD¿cionado como se indica a continuación para las bandas de interés:
UHF y VHF.
1.5 Características y efectos del medio de propagación
El enlace de comunicación, que se establece entre estación terrena
y pico satélite, está expuesto a una serie de pérdidas en su mayoría
relacionadas con la distancia o técnicamente distancia crítica entre
emisor y receptor, como se consideró anteriormente.
1.5.1 Pérdidas por espacio libre. 8QDGH¿QLFLyQIRUPDOGHSpUGLGDSRUHVpacio libre consiste en la «Sérdida sufrida por una onda electromagnética
al propagDUVHHQOtQHDUHFWDSRUXQYDFtRVLQDEVRUFLyQQLUHÀH[LyQGH
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7DEOD6HUYLFLRVDWULEXFLyQGHWtWXOR\XWLOL]DFLRQHVGHODVIUHFXHQFLDV
&RQVWUXLGDDSDUWLUGH3UHVLGHQFLDGHOD5HS~EOLFDGH&RORPELD
Rango de
Longitud
Frecuencia
de onda
0+]
Servicio
Atribución
a título
)UHFXHQFLD0+]
144,000 – 144,050
144,050 – 144,060
144 MHz
a
2m
148 MHz
$¿FLRQDGRV
\D¿FLRQDGRV
por satélite
Primario
144,060 – 144,100
144,100 – 144,200
144,300 – 144,500
145,800 – 146,000
435 MHz
a
440 MHz
431,900 – 432,250
70 cm
$¿FLRQDGRV
CoPrimario
435,000 – 436,000
436,200 – 437,250
8WLOL]DFLyQ
Rebote Lunar en
telegrafía (CW)
Balizas de propagación
Uso general en
telegrafía (CW) y
VHxDOHVGpELOHVHQ&:
Rebote Lunar (EME)
Sub- banda Satélites
Oscar
Sub-banda internacional
de Satélites
CW – Fonia (FM) –
Satélite
Satélite
Satélite
HQHUJtD HQ REMHWRV FHUFDQRV» 7RPDVL HVWR VLJQL¿FD TXH XQD
onda electromagnética pierde su potencia debido a la distancia que
recorre en el espacio libre, sin ningún tipo de obstáculo que la absorba
RUHÀHMHHQVXWUD\HFWRULD/DPHWRGRORJtDSDUDVXFiOFXORHVVXJHULGD
por Blake (2004).
3pUGLGDV SRU SRODUL]DFLyQ Técnicamente el concepto de
polarizaciónWDQWRGHODRQGDFRPRGHODDQWHQDUH¿HUHDODRULHQWDFLyQ
con respecto al tiempo y al espacio que sigue el vector de campo eléctrico de la onda en propagación E(r,t) (Neri Vela, 2003) sobre un plano
que lleva el nombre de plano polarizador. Básicamente son pérdidas que
solo se llegan a tener en cuenta en el receptor en aquellas ocasiones
HQODVTXHODVHxDOHQYLDGDSRUHPLVRUYLDMDKDVWDVXGHVWLQR¿QDOFRQ
una polarización distinta debido a la transformación y/o alteración que
sufre al atravesar las capas atmosféricas.
1.5.3 Pérdidas por apuntamiento. Conocidos también como Pérdidas
por no apuntamiento, des-apuntamiento, o desalineación, son las que
afectan directamente la transmisión debido al margen de error que
se produce en la mala alineación o no alineación de las antenas de
la estación terrena y a los movimientos del satélite en la ventana de
posicionamiento.
1.5.4 Pérdidas por adsorción de gases. Estas pérdidas son tenidas
en cuenta para aquellas comunicaciones que manejan frecuencias
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VXSHULRUHVDORV*+]D¿UPD1HUL9HOD3DUDHOFDVRHQODFH
estación terrena satelital y picosatélite no son aplicables.
1.5.5 Efecto Faraday. Se atribuyen como pérdidas debidas al efecto
Faraday aquellas relacionadas con la disminución de la potencia que
llega a la antena receptora IDGLQJ\DODLQPHUVLyQGHUXLGRHQODVHxDO
SRUWDGRUD/DVVHxDOHVTXHYLDMDQWDQWRHQVHQWLGRDVFHQGHQWHFRPR
sentido descendente deben atravesar parte de las capas atmosféricas,
en cuya interacción con las cargas y partículas ionizadas presentes en
el medio sufren algunas alteraciones. El efecto Faraday, según Shahen
FRQVLVWHHQODGHVYLDFLyQLQGHVHDGDGHODVHxDOGHOFDPSR
eléctrico al atravesar la atmosfera.
1.5.6 Pérdidas en los conectores y líneas de trasmisión. Son las
pérdidas que se relacionan en operaciones tanto de recepción y trasmisión con el tipo de cable o medio guiado que es usado para conducir la
VHxDOGHODPSOL¿FDGRUGHPLFURRQGDVDODOLPHQWDGRUGHODDQWHQD\ORV
conectores. En comunicaciones satelitales se adopta como valor típico
los 0.5 y 1.0 dB de pérdida, considera Neri Vela (2003).
1.5.7 Efecto Doppler. 6H GH¿QH FRPR HO FDPELR GH WRQR TXH XQD
SHUVRQD ¿MD H[SHULPHQWD DO HVFXFKDU XQ VRQLGR SURYHQLHQWH GH XQD
fuente en movimiento conforme esta se acerca o se aleja. Se parte del
supuesto que una estación terrena es un observador estacionario y que
el satélite se mueve (acerca y aleja) con relación al observador. Según
este planteamiento uno de los extremos de la comunicación se mueve
de manera relativa respecto al otro extremo y como consecuencia la
IUHFXHQFLDGHODVHxDOSRUWDGRUDVXIUHXQDYDULDFLyQTXHVHFRQVLGHUDGH
interés en recepción. Dicha variación depende de la distancia a la que
se encuentre el objeto transmisor del objeto receptor y a la velocidad
en que se desplacen.
1.5.8 Ruido. Existen diversas fuentes de ruido asociados al enlace
VDWHOLWDOFRPRSRUHMHPSORHOUXLGRGHOWUi¿FRFHUFDQRDODHVWDFLyQWHrrena, el ruido emitido por las personas y también ruidos provenientes
del espacio como el solar, galáctico y cósmico, como menciona Tomasi
(2003), los últimos son ondas electromagnéticas provenientes del esSDFLRTXHRSDFDQODVHxDOHPLWLGDSRUHOVDWpOLWH
1.5.9 Pérdidas por lluvia. A este tipo de pérdidas se le considera despreciable para frecuencias menores a 10 GHz.
1.6 Cálculo del radioenlace
Se reconocen como parámetros de enlace a: la potencia crítica reFLELGD3UODSRWHQFLDUDGLDGDLVRWUySLFD3,5(OD¿JXUDGHPpULWR
*7ODUHODFLyQVHxDOUXLGR61\ODUDWDGHHUURUGHELW%(5(O
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FiOFXORGHOUDGLRHQODFHHVIXQGDPHQWDOSDUDHOGLVHxRGHFXDOTXLHU
sistema de comunicación inalámbrico; particularmente, tiene en
cuenta las pérdidas y ganancias que se relacionan tanto en emisor
como en receptor. El objetivo de este cálculo es establecer un límite
o margen dentro del cual se considere que todo está dentro de los
valores permitidos.
1.6.1 Potencia Recibida.+DFHUHIHUHQFLDDODSRWHQFLDFRQODTXH¿QDOPHQWHVHUHFLEHODVHxDOSRUWDGRUDHQODHVWDFLyQWHUUHQD6XFiOFXOR
involucra las pérdidas y ganancias del radioenlace.
1.6.2 Figura de mérito G/T. Es el parámetro que indica el grado de
GHVHPSHxRGHODDQWHQDUHFHSWRUD6HHVWDEOHFHPHGLDQWHODUHODFLyQ
que hay entre la ganancia de la antena y la temperatura.
3RWHQFLD,VRWUySLFD5DGLDGD(IHFWLYD3,5(Este parámetro
permite indicar la potencia con que irradia el sistema trasmisor, si hipotéticamente se usara un radiador isotrópico y no una antena directiva.
Es el resultado de multiplicar la potencia efectiva transmitida (Potencia
±SpUGLGDVHQHOWUDVPLVRUTXHHQWUHJDHODPSOL¿FDGRUGHSRWHQFLDGHOD
HVWDFLyQWHUUHQDSRUODJDQDQFLDTXHUH¿HUHDODJDQDQFLDGHODDQWHQD
que está en el mismo extremo trasmisor.
1LYHOGH3RWHQFLD,VRWUySLFD5HFLELGD13,5 Es el nivel de
potencia recibida por una antena ideal isotrópica.
'HQVLGDGGHSRWHQFLDGHODUHODFLyQVHxDODUXLGR6R Indica
ODVLQWHQVLGDGHVUHODWLYDVGHODVHxDO\HOUXLGRHQXQVLVWHPDGHFRPXnicaciones tomando como ancho de banda BW=1Hz.
(QHUJtDGHELW(E1 Es la relación que indica la calidad de una
comunicación digital, depende de la velocidad de transmisión (V), y de
ODGHQVLGDGGHODUHODFLyQVHxDODUXLGR
1.6.7 Cálculo de potencia del ruido. Expresa la potencia de ruido
del sistema, tanto en la Estación como en el satélite y depende de la
temperatura del sistema (Ts) y del ancho de banda utilizado (BW).
2. Metodología
Para el desarrollo de este proyecto se tuvieron en cuenta los conceptos
GHGLVHxRGHOVLVWHPDGHFRPXQLFDFLRQHVEDVDGRHQODPHWRGRORJtD
propuesta por GENSO4 (*OREDO(GXFDWLRQ1HWZRUNIRU6DWHOOLWH2SH
UDWLRQV), el sistema de posicionamiento de antenas, los actuadores y
por último los diferentes métodos de seguimiento a picosatélites, estos
3UR\HFWRGHOD$JHQFLD(VSDFLDO(XURSHD(6$FRRUGLQDGRSRUVX2¿FLQDGH(GXFDFLyQ
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conceptos se convirtieron en las fases del proyecto, a continuación
se hará una breve descripción de cada una de ellos.
2.1 Diseño del sistema de comunicaciones
(OGLVHxRGHOVLVWHPDGHFRPXQLFDFLRQHVGHEHHVWDUVXMHWRDHVWiQGDUHVTXHSXHGDQGH¿QLUXQDHVWDFLyQWHUUHQDQRUPDOL]DGDFRQPLUDV
a una integración de estaciones terrenas satelitales en los entornos
nacional y mundial. Dentro de este contexto, el sistema de comunicaciones propuesto en esta investigación se rige bajo los lineamientos
de GENSO.
La interacción de cada uno de los elementos de la arquitectura de GENSO, puede entenderse a partir del siguiente caso: Si se supone que
existe una estación terrena situada en un lugar A que desea acceder y
obtener control de otra estación terrena ubicada en un lugar B, ambas
estaciones estarán vinculadas e integradas a la red GENSO (GENSO,
2010). La estación A, actúa como controlador de misión o dicho de otra
manera la estación A será la que solicite el acceso y control de la estación B a través de la red. Tanto en la estación A como en la estación B
existe un cliente de control de la misión (0LVVLRQ&RQWURO&OLHQW - MCC)
y de igual forma un servidor de estación terrena (*URXQG6WDWLRQ6HU
YHU - GSS). La MCC es una aplicación que tiene a su cargo enviar una
SHWLFLyQDOVHUYLGRUGHDXWHQWL¿FDFLyQRVHUYLGRUFHQWUDO$XWKHQWLFDWLRQ
6HUYHU$86TXLHQDXWHQWL¿FDVXUHJLVWUR(O0&&UHFLEHGHO$86XQD
GSSL (Lista de GSS).
Los elementos mínimos requeridos por GENSO para el montaje de una
estación terrena son:
- Radio: ICOM 910 H. Bandas: VHF (Tx: 144-146 MHz, Rx: 136-174
MHz) – UHF (Tx: 430-440 MHz, Rx: 420-480 MHz)
- Rotor: <DHVX GS-232 y controlador de interfaz GS-232B
- Modem TNC: Requiere soporte para AX25.
GENSO soporta como módem de comunicaciones, entre otros.
a .DQWURQLFV 9612+, KPC3, NTG TNC7 Multi, 7LPHZDYH PK96,
DSP-2232.
2.2 Posicionamiento de antenas
El rastreo de un satélite es utilizado para corregir la posición del
mismo, como también de una antena en una estación terrena. Una
vez que el satélite se encuentra en órbita, existen algunas fuerzas no deseadas que dificultan que el satélite permanezca con la
misma orientación con respecto a la superficie terrestre. Debido a
las fuerzas perturbadoras, la comunicación de la estación terrena
con el satélite puede no ser confiable; en este caso se requiere
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de algún sistema de posicionamiento para mantener la antena de
la estación terrena con la mejor orientación para la transmisión y
UHFHSFLyQGHODVHxDO
Para orientar una antena es necesario tener un montaje que permita
UHDOL]DUPRYLPLHQWRVGHOUHÀHFWRU([LVWHQWUHVWLSRVGHPRQWDMHVTXH
puede tener una antena: Azimut, Elevación X-Y y Ecuatorial o Polar.
La orientación de la antena de una estación terrena hacia un satélite
con un montaje Azimut-Elevación se realiza ajustando dos ángulos, en
elevación y azimut; los valores de estos ángulos dependen de la posiFLyQJHRJUi¿FDGHODHVWDFLyQHQODWLWXG\ORQJLWXG\GHODXELFDFLyQ
del satélite, expresa Corbasi (1998, 10).
Tomando como referencia al eje de simetría del plato parabólico, que
coincide con su eje de máxima radiación, el ángulo de elevación es
aquel formado entre la horizontal y dicho eje de simetría dirigido hacia
el satélite; por su parte, el ángulo de azimut es la cantidad en grados
que hay que girar la antena en el sentido de las manecillas del reloj
FRQUHODFLyQDOQRUWHJHRJUi¿FRGHOD7LHUUDSDUDTXHHVHPLVPRHMH
de simetría pase por la posición en longitud del satélite, de acuerdo
con Logsdon (1995, 61).
La elevación es el ángulo al que hay que elevar la antena desde el
horizonte para localizar el satélite en cuestión (90º en el ecuador). El
azimut es el ángulo horizontal al que hay que girar el eje de la antena,
GHVGH HO SROR QRUWH JHRJUi¿FR WHUUHVWUH KDVWD HQFRQWUDU HO VDWpOLWH
(Figura 1).
2.3 Actuadores
Los actuadores, se encargan de gestionar la respuesta deseada de un
sistema. Existen actuadores mecánicos, hidráulicos y eléctricos, dependiendo del tipo de energía empleada. Para el direccionamiento de
las antenas de la estación terrena se emplearon actuadores eléctricos,
como son los rotores G-5500.
El rotor G-5500, de acuerdo con Yaesu Musen (1998, 1-10), es un
dispositivo electromecánico, que consta de los motores eléctricos, las
cajas de engranes, los sensores de posición (potenciómetros), todo
encapsulado en un empaque que le brinda la debida protección ante
las exigencias climáticas. Este rotor en realidad son dos rotores por
separado (uno de Azimut y uno de Elevación), que pueden ser instalados conjuntamente (Figura 2), o pueden ser usados por separado,
obteniendo un resultado de movimiento de Azimut o de Elevación
VHJ~Q VHD HO URWRU HVFRJLGR 9DOH DFODUDU TXH HO IDEULFDQWH D¿UPD
que estos rotores están debidamente lubricados y no requieren de
mantenimiento.
85
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)LJXUD(MHV$]LPXW\(OHYDFLyQ7HFQRORJtD(OHFWUyQLFD
)LJXUD5RWRU<DHVX*\VXXQLGDGGHFRQWURO<DHVX0XVH
2.4 Métodos de seguimiento
Existen diferentes métodos de control para lograr el seguimiento de
objetos en movimiento, pero no todos son aplicables al seguimiento de
satélites. El seguimiento puede realizarse por medio de un software,
el cual mediante desarrollos físicos – matemáticos puede simular con
exactitud y precisión el comportamiento del satélite y al comunicarse
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con el rotor de las antenas ubicarlas para una correcta comunicación
(Espíndola, Vargas & Aparicio, 2009, 30).
3. Resultados
Los resultados obtenidos en el estudio desarrollado, teniendo en cuenta
ODVFRQGLFLRQHVHVSHFt¿FDVGHOVLWLRGRQGHVHUHDOL]DURQODVSUXHEDVGH
campo arrojaron los datos de tipos de pérdidas del enlace de comunicaciones entre una estación terrena satelital y un satélite de órbita baja
que se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Resultados del cálculo de pérdidas
Pérdidas por espacio Libre
Distancia crítica
Pérdidas por espacio Libre
Re: 6.378.14 km
h (Km)
d(Km)
dB
dB
600
2830.8
144.77
154.31
700
3069.0
145.47
155.01
800
3293.1
1455.08
155.63
3pUGLGDVSRU3RODUL]DFLyQTeóricas, estimadas en 3 dB
Pérdidas por Lluvia Despreciables para frecuencias menores a 2GHz
Pérdidas por Apuntamiento Teóricas, estimadas en 1 dB
Pérdidas AtmosféricasVHJ~QODVFDUDFWHUtVWLFDVWRSRJUi¿FDVTXHURGHDQODHVWDFLyQWHUUHQDVHHVWLPD
un ángulo mínimo de 5º para el cual, su valor es de 2.1 dB
Pérdidas por Líneas de Transmisión Pérdidas en decibeles por cada 30 m [16]
Tipo de Cable
8SOLQN
'RZQOLQN
RG-58 Foam
4.7
8
RG-8 Foam
2.0
3.7
Times Microwave LMR-400
1.5
2.6
Pérdidas por Conectores Comúnmente un conector tiene una pérdida de 0.05 dB
Potencia de la Estación Terrena Ptsatélite 100mW=-10dBW
Potencia del Satelite Ptestación 5W =7dBW
Ganancia
Ganancia Antena satélite
Gant_Satélite
1 dBi
Ganancia Antena Estación
Gant_Estacion
15 dBi
Ganancia LNA
LNA
15 dB
Una vez calculadas las pérdidas, fue posible realizar el cálculo de los
parámetros del enlace (Tabla 3).
3DUDLGHQWL¿FDUODVFDUDFWHUtVWLFDVWHFQROyJLFDVGHOFDQDOGHFRPXQLFDciones una de las primeras consideraciones es determinar qué tipo de
RSHUDFLyQWLHQHODHVWDFLyQWHUUHQDD¿QGHGHOLPLWDUODVIXQFLRQHVGH
la misma. Para el caso de estudio se quiere implementar una estación
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Nº 26 - enero - junio / 2012
con funciones de transmisión, recepción y telemetría, además de esto la
estación debe dar soporte a datos de telemedicina bajo protocolo AX.25.
Con respecto al manejo del protocolo AX.25 se usa el módulo TNC (controlador terminal del nodo) de los transceptores .HQZRRG TM-D700A el
cual convierte los paquetes de datos a tonos de audio y viceversa.
(OGHELOLWDPLHQWRGHODVHxDOIDFWRUFUtWLFRDFRQVLGHUDUVHSXHGHGDU
por varias razones, como por ejemplo: - el tipo de cable coaxial, si es de
mala calidad genera pérdidas por líneas de transmisión, - la distancia
TXHKD\HQWUHODDQWHQD\HOWUDQVFHSWRUGHELOLWDODVHxDORODGLVWDQFLD
que hay entre el satélite y la estación terrena.
Tabla 3. Resultados cálculo del enlace
Parámetros de Enlace
Potencia Recibida en la Estación PR_Estacion=-10dBW+1dB+16dBi-155.63dB-3dB-1dB-2.1dB-3.513dB0.009dB+15dB=-143.252dBW
Potencia Recibida en el Satélite PR_Satélite=7dBW+1dB+10dBi-146.08dB-3dB-1dB-2.1dB-2.025dB0.005dB=-136.21dBW
PIRE Estación PIRE_Estacion=(Ptestacion-Llinea_Subida_Estacion-LfiltroLNA)+Gant_
Estacion=13.975dBW)
PIRE Satélite PIRE_Satélite=(Ptsatélite-Llinea_Bajada_Satélite)+Gant_Satélite=-9.005dBW
3RWHQFLDLVRWUySLFDUDGLDGDHIHFWLYD3,5(
Estación
Satélite
PIRE_Estacion=(Ptestacion-Llinea_Subida_
(VWDFLRQ/¿OWUR/1$*DQWB(VWDFLRQ G%:
Figura de mérito G/T
Estación
PIRE_Satélite=(Ptsatélite-Linea_Bajada_
Satélite)+Gant_Satélite=-9.005dBW
Satélite
G/T=(Gant_Estacion+LNA-Llinea_Bajada_
G/T_Satélite=(Ptsatélite-Llinea_Subida_
(VWDFLRQB/¿OWUR/1$ORJ7VB(VWDFLRQ Satélite)-10*log(Ts_Satélite)=-27.32 dB/K
dB/K
'HQVLGDGGHSRWHQFLDGHODUHODFLyQVHxDODUXLGR61R
S/No=NPIR+G/T+228.60 (Boltzmann)
Estación=49.963 dB/Hz
Energía de bit (Eb/No)
Satélite=61.043dB/Hz
Eb/No=S/No-10*log(V)
Estación=19.17 dB
5HODFLyQVHxDODUXLGR61
Satélite=30.25 dB
S/N=Pr-PN
Estación=11.98 dB
Satélite=24.08 dB
/DPDQHUDGHDVHJXUDUVHGHTXHVHWLHQHXQDVHxDOXWLOL]DEOHHVLQVWDODQGRXQSUHDPSOL¿FDGRUGHEDMRGHODDQWHQDTXHDPSOL¿FDODJDQDQFLD
GHODVHxDOútil tratando de introducir la menor cantidad de ruido posible.
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Universidad de Manizales
Facultad de Ciencias e Ingeniería
6HUHFRPLHQGDXQ/1$$PSOL¿FDGRUGH%DMR5XLGRRFRQXQDUHVSXHVWD
de frecuencia adaptada para una única banda.
(OGLVHxRSDUDHOFDVRGHHVWXGLRHVWDFLyQWHUUHQDVDWHOLWDOGHOD837&
se muestra en la Figura 3, donde se propone la inserción al sistema
de otros dispositivos, que se consideran necesarios para mejorar las
características del enlace, como el caso del LNA.
/DVHVSHFL¿FDFLRQHVGHKDUGZDUH\VRIWZDUHTXHFRQIRUPDQODHVWDFLyQ
terrena son:
- Longitud 73.375 oeste
- Latitud 5.5209 norte
- Altitud 2738 m
- Frecuencias de Operación 144-146 MHz, 432-438 MHz
$QWHQDVP±9+)<DJLGLVHxDGDV\FRPHUFLDOHV66%&:)0
$QWHQDV FP ± 8+) <DJL GLVHxDGDV \ FRPHUFLDOHV &XVKFUDIW
A44911S)
- Rotor de la antena Yaesu G-5500
- Radios Kenwood TM-D700, Yaesu FT-7800
- Radios auxiliares Yaesu VX-6R, Yaesu VX-3R
- Vatímetro & SWR Diamond SX-400
- GPS Garmin Etrex
- Fuente de corriente Diamond GZV4000
$PSOL¿FDGRUGHEDMRUXLGR/1$FP635HFRPHQGDGR
- Software de predicción de efemérides :LQ2UELW, :[7UDFN, 2UELWURQ,
AMSAT
)LJXUD'LVHxRGHOVLVWHPDGHFRPXQLFDFLRQHVHVWDFLyQWHUUHQDVDWHOLWDO837&
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4. Conclusiones
(O GLVHxR SURSXHVWR SDUD OD HVWDFLyQ WHUUHQD VDWHOLWDO FRQ HO ¿Q GH
realizar seguimiento de picosatélites de órbita LEO, cumple con los
requerimientos de GENSO y de las entidades promotoras de este tipo
de tecnología.
6HSURSRQHODDGLFLyQGHXQDPSOL¿FDGRUGHEDMRUXLGR/1$ORTXH
aumentará la sensibilidad del sistema de comunicaciones y permitirá
UHFLELU VHxDOHV PiV GpELOHV GH VDWpOLWHV TXH VH HQFXHQWUHQ D PD\RU
altura y/o transmitan a menor potencia. De igual forma debe tenerse en
FXHQWDTXHHO/1$LQFUHPHQWDODVHxDO\HOUXLGRHQODPLVPDSURSRUFLyQ
La implementación de la estación terrena satelital en la UPTC permitirá
la integración de diferentes universidades del entorno nacional alrededor
del estudio de satélites y tecnología aeroespacial.
La ejecución del proyecto propuesto, permitió no solamente fortalecer
el nivel investigativo del grupo INFELCOM (Informática, electrónica y
comunicaciones), sino que garantiza un impacto regional, liderado por
la UPTC, ya que constituye la primera estación terrena de seguimiento
a picosatélites del nororiente colombiano.
Agradecimientos
Los autores expresan su gratitud al grupo de investigación INFELCOM
avalado por Colciencias e inscrito en la Dirección de Investigaciones DIN
de la UPTC, al igual que a la Facultad de Ingeniería de la misma universidad por apoyar la investigación en este tipo de áreas del conocimiento.
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Universidad de Manizales
Facultad de Ciencias e Ingeniería
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